水下材料声学性能宽频段测量方法

本文根据脉冲法和传递函数法的测试原理,建立水下声学材料吸声性能宽频段测量方法,在同一水声声管,相同状态下,对橡胶材料吸声性能进行测试分析。分析表明:常压及加压环境下,采用传递函数法和脉冲法测量材料的吸声性能,在重合频段(4 kHz～5.5 kHz)测试结果基本一致,测试偏差小于5%,从而验证了不同测量原理,测试材料水下声学性能的通用性。因此,采用传递函数法和脉冲法,可以实现水下材料声学性能宽频带测试。     

水下隔声结构设计及评价方法

为使用混响法快捷地测量水下结构物的辐射噪声,需基于港口或海岸建造海上混响水池。针对内外都是水情况下的海上混响水池壁面隔声问题,设计了一种带梁空气夹层板水下隔声结构,通过仿真比较了不同参数的空气夹层板的隔声性能。为评价声波无规入射情况下水下大尺寸隔声结构隔声性能,提出了一种混响评价方法,通过隔声实验比较了混响法与脉冲法的不同。结果表明：带梁空气夹层板的水下隔声性能优异,声波无规入射情况下,面板厚度0.015 m、空气层厚度0.020 m的带梁空气夹层板在2～10 kHz频段插入损失大于20 dB;混响法可以有效评价大尺寸水下隔声结构的平均隔声性能,其反映的声波无规入射的平均隔声性能更接近于实际应用情况。     

用脉冲法研究多孔性材料的声反射

本文提出当脉冲声源和接收点在同一条垂直于材料表面的直线上时,声脉冲从多孔材料反射的研究。由实验入射和反射声脉冲利用DFT计算了反射声波的传递函数。在把材料假设为理想多孔性材料的前提下,理论上可以计算反射声波的脉冲响应,计算中考虑了局部反应和延伸反应材料,通过球面波和平面波计算的比较,提供球面波对反射声波传递函数的影响量,对一多孔材料层,也研究了材料中的反射。     

轻质金属三明治板的隔声性能研究

基于金属三明治板的周期特性,建立了其夹芯层等效弹簧和扭簧组合模型.利用所建立的模型和空间谐波展开法,首先研究了中间为空气腔的双层板的隔声性能,理论结果与实验结果取得较好的一致,验证了模型的合理性;并进一步研究了中间层为瓦楞加筋三明治板的隔声性能.结果表明,声波入射角以及瓦楞加筋板与平板的夹角对其隔声性能影响显著,适当改变瓦楞加筋板与平板的夹角可以有效避开结构的隔声低谷;三明治板对垂直入射声波的隔声效果最好.     

分布式通风消声板特性研究*

在隔声板结构中,分布式内嵌大量小型消声单元,在入射声波被消声单元有效衰减的同时,气流可均匀通过整个板结构,形成一种分布式消声板结构。利用平面波理论和修正传递矩阵法,建立消声板简化模型,并预测模型传递损失。加工消声板样件,实验室内测试并验证其声学及通风性能。对比隔声测试结果与预测结果,验证修正传递矩阵法针对该结构的准确性,同时验证消声板结构的实际效果。结果显示,该分布式消声板结构具有良好的声学效果,修正传递矩阵法可应用于该结构的声学性能预测以及结构设计。     

基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究

针对低频噪声的隔离问题,设计了一种基于压电材料的可调控薄膜声学超材料,该材料由压电质量块嵌入弹性薄膜制成.建立了材料的有限元分析模型,并且计算了材料的各阶特征频率与20—1200 Hz频段的传输损失曲线,并通过实验验证了有限元计算的真实性.计算结果表明:此声学超材料在20—1200 Hz频段内隔声性能良好,存在两个50 dB以上的隔声峰与一个可调式的隔声峰.通过分析简单结构的首阶共振模态并构建其等效模型,从理论上探究了结构参数对薄膜声学超材料隔声性能的影响,并通过有限元计算验证了其等效模型的正确性;综合分析材料的特征频率与传输损失曲线,进一步讨论了结构的隔声机理,分析结果表明,在特征频率处,薄膜的"拍动"会导致声波在其后的传播过程中干涉相消,实现声波的衰减;通过Fano共振理论,探究了各共振点处传输损失曲线特征不同的原因;压电质量块与外接电路组成LC振荡电路,在电路的共振频率处,压电材料的振动可以吸收声波的能量从而造成一个隔声峰,同时可以改变外接电路的参数来调整电路的共振频率,从而实现对隔声性能的调控.最后,探究了压电质量块偏心量对材料性能的影响,并通过有限元计算验证了材料隔声性能的可调性.研究结果为可调式薄膜声学超材料的设计提供了理论参考.     

波纹穿孔板吸声特性研究

研究了平面波垂直入射和掠入射两种情况下波纹穿孔板对声波的耗散作用,结果表明在这两种情况下波纹穿孔板的声学特性都有别于平板穿孔板。在垂直入射条件下,通过“等效穿孔率”可以在中、低频率范围内使波纹穿孔板和平板穿孔板的吸声特性“重合”。波纹穿孔板在高频范围会出现异于平板穿孔板的双尖峰现象,进一步研究发现这是由波纹板形状导致的背腔深度的连续变化所引起的。在掠入射条件下,波纹穿孔板与平板穿孔板无法通过“等效穿孔率”替代。波纹穿孔板的板高和板长对其声学性能都有明显影响,当波纹穿孔板夹角(板高与1/4板长对应的正切角)相同时,在板长小于75 mm范围内波纹穿孔板有相似的声学性能。     

水声材料横波声速和衰减系数参量源法测量系统

提出了测量10-100 kHz频段水声材料平均横波声速和衰减系数的测量系统,系统具有低频、小尺寸、窄波束的特点。测量装置应用截断参量源作为声源,结合了精密的坐标系统。在对平板声压透射系数的平面波模型进行理论修正和实验研究的基础上,测量平板样品的透射系数(插入损失)的频谱和角谱,并采用曲线拟合方法来估计样品在测量频段的平均横波声速和衰减系数。在2 m×1 m×1.5 m消声水槽中,对一些典型样品(尺寸500 mm×600 mm)进行了测量实验,结果表明,水声材料样品在声波不同入射角时的声学性能有较大差异,不能用声波垂直入射时的声学性能数据代替;横波声速和衰减系数是评定水声材料声学性能的重要参数,尤其在声波斜入射情况下;在研究材料构件或复杂器件的声学性能时它们也是必不可少和不能不考虑的。实验还验证了测量方法和系统的可行性,也表明仅在这一频段的测量还远不能满足水声工程的实际需求, 有必要将测量方法应用扩展到更低或更高的频段。     

基于近零折射率材料的声非对称聚焦透镜

研究基于近零折射率声子晶体的声非对称聚焦透镜。声非对称聚焦透镜的两侧分别为竖直平面与圆弧面结构,由于近零折射率材料的声波方向选择性,当声波从竖直平面一侧入射时,可以通过透镜,实现高性能声聚焦效应;而当声波从圆弧面一侧任意方向入射时,声波无法通过透镜,从而实现同时具有聚焦与非对称传输特性的声学透镜。在此基础上,改变透镜圆弧面的曲率半径,可以调控非对称透镜的正向聚焦焦点位置,且声非对称传输性能保持不变.此外,透镜内部的刚性散射体对声非对称聚焦性能的影响较小。研究结果表明所设计的声非对称聚焦透镜具有多功能、单一结构及高鲁棒性等优点,为设计新型近零折射率声学器件提供相应的理论方案与实验参考.      

脉冲法在现场声反射测量中的应用

本文运用电火花声源在一厅堂内对胶合板条和钢板网组成的顶棚以及胶合板贴在混凝土墙面上构成的反射板进行了声反射特性的实验研究。在测试人射和反射声脉冲而利用FFT计算声反射传递函数时,讨论了反射脉冲序列截取的长短对该材料反射传递函数的影响。文中还分析了有肋吸声结构声反射传递函数的变化。提供0°、30°、60°反射传递函数的比较。     

压力罐中水声材料声学特性的参量源测量法

设计了一种原波频率500 kHz、差频范围1~30 kHz的截断宽带参量阵,作为水声材料测量系统的声源。通过分析典型频率下的宽带参量源指向性理论计算和实际测量结果,发现两者结果的曲线基本吻合,证明计算模型是正确的。应用钟形短时脉冲实现水声材料声特性的宽带测量,有益于降低样品边缘衍射干扰。并建立了测量水声材料大面积板状样品声压反射系数、声压透射系数和吸声系数的压力罐测量系统,罐体内尺寸Φ4 m×12 m,最高静水压4.5 MPa,测量频率范围1~30 kHz。对标准样品(尺寸1m×1m)进行了测量实验,其测量结果和理论曲线有很好的吻合,参量源测量法得到了验证;之后,通过对一块橡胶板样品在不同静压力下的吸声性能进行了测量和有效评估,进一步确认了参量源测量法在压力罐这样有限水域中的潜在应用价值。      

Traveling wave tube measurements for low-frequency properties of underwater acoustic materials

A traveling wave tube measurement technique for measuring acoustic properties of underwater acoustic materials was developed.Water temperature and pressure environments of the ocean can be simulated in a water-filled tube,and the acoustic parameters of samples of underwater acoustic materials are measured in the range of low-frequency.A tested sample is located at central position of the tube.A pair of projectors is separately located at both ends of the tube.Using an active anechoic technique,the sound wave transmitting the tested sample is hardly reflected by the surface of secondary transducer.So the traveling sound field is built up in the tube.By separately calculating the transfer functions of every pair of double hydrophones in the sound fields from the both sides of the sample,its reflection coefficients and transmission coefficients are obtained.In the measurement system,the inside diameter of the tube isΦ208 mm,the working frequency range is from 100 to 4000 Hz,the maximum pressure is 5 MPa.The reflection coefficients and transmission coefficients of a water layer and a stainless steel layer samples are measured actually and calculated theoretically.The results show that the measured values are in good agreement with the values calculated,and the measurement uncertainty is not greater than 1.5 dB.     

A model comparison of the absorption coefficient of a Microperforated Insertion Unit in the frequency and time domains

The absorption coefficient of acoustic materials can be measured either in the frequency or the time domain. At normal incidence, a sample of the material is fitted within an impedance tube and the absorption coefficient is calculated in the frequency domain from the measurement of the transfer function between two microphones [ISO 10534-2. Acoustics - determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes - Part 2: transfer function method. ISO, Geneva, Switzerland; 1996]. When the acoustic material must be characterized at oblique incidence or in situ (noise barriers, for instance) the absorption coefficient is calculated from measurements of the loudspeaker-microphone impulse response in the time domain, both in free field and in front of the sample [CEN/TS 1793-5. Road traffic noise reduction devices - test method for determining the acoustic performance - Part 5: intrinsic characteristics - in situ values of sound reflection and airborne sound insulation. CEN, Brussels, Belgium; 2003, ISO 13472-1. Acoustic measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ - Part I: extended surface method. ISO, Geneva, Switzerland; 2002]. Since the absorption is an intrinsic property of the acoustic material, its measurement in either domain must provide the same result. However, this has not been formally demonstrated yet. The aim of this paper is to carry out a comparison between the absorption coefficient predicted by the impedance model of a Microperforated Insertion Unit and the absorption coefficient predicted from a simulated reflection trace taken into account the finite length of the time window.     

基于四水听器的充水弹性管声速测量方法

实验室中水声材料声学参数的测量主要在水声声管中进行。管内平面波声速是正确测量这些参数的基础。该文提出一种基于四水听器结合不同边界的测量充水弹性管中声速的新方法。该方法利用4个固定位置处的水听器,采用最小二乘的方法,使得两组水听器分别得到的声管末端入射波声压差值的平方最小的声速即为管内平面波声速。该方法利用单频信号,在每一频率点均可测得声速,可以在任一种声管末端边界下进行测量,同时无需知道各水听器到边界的精确距离,在文中的3种边界下声速测量结果具有很好的一致性,实验操作简单、误差很小。该方法的仿真结果与管内声速的理论值吻合得很好,同时实验测量结果与仿真值之间的误差很小,证明了方法的准确性以及鲁棒性,为声管声速测量提供一个很好的思路。     

阻抗管法测量水下吸声系数的系统误差分析*

利用阻抗管法测量吸声系数是水下吸声材料研制过程中的重要环节,实验测量结果相比理论计算结果更具说服力。然而在待测样品的制备和安装过程中容易引入的系统误差往往被忽略,从而影响实测结果可信度。为了降低系统误差,本文提出缝隙宽、垂直度和光洁度三种可能引入系统误差的因素,搭建传递函数法水下吸声系数测量的有限元模拟实验环境并验证仿真计算算法的正确性,研究相关参量对橡胶吸声系数的影响规律,并给出一定误差下对相关参量的限制要求。所得结论对降低测量误差、提升实测结果可信度具有一定参考价值。     

高声压级时多孔金属板的吸声特性研究

针对高声压级下有限厚度多孔金属板在线性阻抗背衬条件下(背衬表面声压与声质点速度为线性关系)的吸声问题,提出了一个描述不同声压级下材料层法向吸声性能的一维模型,并给出求解材料层内部声质点速度的线化与差分方法,以预测多孔金属板在高声压级下的非线性吸声特性。在阻抗管中对两块多孔金属板进行了声学测试,得到了材料层法向表面阻抗和吸声系数随入射声压级变化的实验结果。研究表明:实验与理论预测符合良好,验证了模型与数值方法的正确性。本文所提原理和方法,可用于一般硬质多孔材料。      

双层弹性支撑板的水下宽带隔声

为实现水下宽带隔声,提出了一种由弹性元件支撑两块刚性端板构成的双层弹性支撑板结构。采用弹簧振子振动分析法和声传播理论,建立了平面波入射的水下隔声理论模型,分析了结构参数对隔声量的影响规律,结果表明足够小的弹性元件单位面积弹性系数或足够大的端板单位面积质量都可以连续一致地提高隔声量.仿真分析了双层弹性支撑板的振动位移和声输入阻抗,比较了双层弹性支撑板与连续介质层的隔声特性,结果表明,降低弹性元件质量,有助于在低频段消除半波全透射现象.在同厚度、同质量、同静态压缩率条件下,双层弹性支撑板能更好的降低两侧流体的振动及声耦合,隔声频带更宽,带内一致性更好,隔声量更大.      

经典局域共振型水声超材料的吸隔声性能研究*

基于水声超材料吸声机理和多层平行介质平面波理论,建立局域共振型水声超材料结构,通过COMSOL进行建模计算,研究该结构的吸声性能机理,此外为了验证钢背衬的隔声性能,在该水声超材料结构基础上添加一层0.005m厚的钢背衬进行仿真对比。研究结果表明,在频段为200Hz-4000Hz时,水声超材料声学性能较好,吸声性能整体较优,且添加钢背衬的水声超材料隔声性能较优,甚至在某频率点达到15dB的隔声差值;此外通过位移场图进一步揭示水声超材料的吸声机理,发现水声超材料结构的位移场和钢背衬都对吸声性能会产生影响,钢背衬通过影响共振吸收来影响吸声性能,而位移场则通过位移幅度大小影响吸声性能。     

Investigations on the acoustic transmission characteristics of underwater perforated panel structures

Perforated panel structures have a wide potential in underwater applications. However, up to now there has been little related research. The acoustic impedance of an underwater perforated panel is obtained based on the theories for air perforated panel sound absorption. In this paper sound transmission characteristics of underwater perforated panel structures are theoretically analyzed by the transfer matrix method. A formula for normal incidence sound transmission coefficients is given. The main factors that have effects on the acoustic transmission coefficient are analyzed by numerical simulations. The perforated panel structures made by ourselves are tested in a standing-wave tube by the four-sensor transfer-function method. The experimental results are well in accord with the results obtained by the numerical method, which proves that the theoretical analysis is correct. This paper has provided theoretical and experimental bases for the design of underwater perforated panel structures.